L énergie. et l avenir énergétique : Année internationale de l énergie durable pour tous. francois.gervais@univ-tours.fr

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1 L énergie et l avenir énergétique 2012 : Année internationale de l énergie durable pour tous francois.gervais@univ-tours.fr

2 Energie : une notion floue et un terme ambigu Faire le plein d énergie avec des huiles essentielles Energie cinétique Energie potentielle Energie = «travail» d une force Energie d une onde électromagnétique Energie produite, fossile, durable Energie consommée et facturée Energie thermique = chaleur Conversion d énergie

3 Energie potentielle et énergie cinétique Arc au repos : énergie nulle Arc bandé : énergie potentielle proportionnelle à l allongement du bras (travail d une force) La flèche part avec une énergie cinétique = masse x vitesse x vitesse

4 Energie d une onde électromagnétique Energie proportionnelle à la fréquence Fréquence = nombre d oscillations par seconde Les rayonnements les plus énergétiques (radioactifs) : X, gammas Nous émettons infrarouges (hectowatts) et gammas (nanowatts) 100 t 1 mg

5 Energie électrique consommée et facturée Énergie = puissance (W) x temps (seconde) 1 joule = 1 watt x 1 sec 1 kilowattheure = 1000 x 3600 = 3, joules

6 Conversion d énergie Dissipation d énergie thermique/chaleur lors des conversions à mauvais rendement

7 Energie : consommation et projections (hors biomasse) Hydroélectrique Charbon Gaz? Renouvelables Nucléaire Pétrole Plus de 90 % de la dépense d énergie actuelle est liée aux combustibles fossiles ce n est évidemment pas durable

8 Energie : consommation et projections (hors biomasse) En 1988, 45 ans de réserves mondiales de pétrole prouvées, en 2009, 46 ans France en 2011 Grâce à une année clémente, 90 % de l électricité a été produite par nucléaire, hydroélectrique, éolien et photovoltaïque («décarbonée»). Éolien et photovoltaïque ont compté pour 2,5 %, soit 1 % de l énergie totale. Hydroélectrique Charbon Gaz Pétrole? Renouvelables Nucléaire Plus de 90 % de la dépense d énergie actuelle est liée aux combustibles fossiles ce n est évidemment pas durable

9 Alternative à «produire toujours plus d énergie» mieux l utiliser : efficacité énergétique Meilleure isolation des bâtiments Pompes à chaleur COP jusqu à 7 Cogénération (chauffage gratuit ) Vers de meilleurs rendements de la conversion de puissance électrique de courant continu -> alternatif DC/AC («inverter» ou onduleur) et alternatif -> continu AC/DC (redresseur) - Pôle S2E2 Supprimer les pertes dans le transport d électricité grâce aux matériaux supraconducteurs?

10 Utiliser des câbles supraconducteurs refroidis à la température d ébullition de l azote (-196 C) pour distribuer le courant électrique (lignes prototypes aux USA) YBa 2 Cu 3 O 7 L oxygène, ressource gratuite, constitue plus de la moitié des atomes du composé 超 電 導 シールド 層 断 熱 管 超 電 導 導 体 絶 縁 層

11 La plus développée des énergies renouvelables pour produire l électricité : l hydroélectrique Le barrage des 3 gorges sur le Yang Tse Kiang (habitations de 1,5 million de personnes détruites et reconstruites plus haut) En 2000, il existait plus de grands barrages dans 150 pays

12 Photovoltaïque D un rendement faible : 16 % pour le meilleur silicium commercial Les rendements du photovoltaïque «organique» sont faibles Multicouches GaInP-AsGa-Ge > 30 % espéré Boites quantiques -> 87 % théorique? Mais en GaAs

13 Autres énergies renouvelables Eolien, y compris offshore A grande échelle, avec le solaire photovoltaïque l éolien pose le problème du stockage de l électricité produite par les énergies intermittentes Ils ne sont utilisés que pour la production d électricité qui ne représente mondialement que 17 % de l énergie primaire Géothermie (surtout développée aux USA) Biomasse et agrocarburants -> au détriment des plantes nutritives alors que personnes par jour

14 Energies du futur? Solaire à concentration (CNRS THEMIS abandonné, relancé dans PEGASE) Nucléaire de quatrième génération prolongerait de 5000 ans les réserves d uranium sécurité à renforcer Fission thermonucléaire contrôlée (ITER)

15 Centrales solaires à concentration Projet Désertec et réalisation en Andalousie Les déserts reçoivent par jour plus d énergie solaire que l Humanité en consomme en une année Le bain de céramique en fusion au foyer de l énergie solaire concentrée, reste chaud durant la nuit, permettant de produire l électricité en continu sans avoir à la stocker

16 Désertec : un projet global de mixte énergétique qui ne résout toutefois pas le problème d indépendance Distribution de l énergie à < 3000 kilomètres : Lignes à haute tension? Transformation en hydrogène? Transport par câble supraconducteur?

17 Surrégénérateurs : électricité pendant ~ 5000 ans Les seuls déchets radioactifs actuels seraient suffisants pour assurer l indépendance énergétique de la France 4 2 He Energie de fission Energie de fusion 2 1 H U Nombre de neutrons + protons du noyau

18 Fusion thermonucléaire Soleil (10 26 watts, 0.01 W/m 3 ) ITER ( watts ; W/m 3 )

19 3 remarques à propos du «carbone» émis sous forme CO 2 par la combustion des ressources fossiles 1 - Une usine pilote en Espagne le réutilise pour fabriquer un carburant au lieu de chercher à le stocker L'énergie utilisée est celle du soleil, la matière première est le dioxyde de carbone produit par les cimenteries voisines, le procédé est à base de la photosynthèse d algues

20 2 - Une concentration accrue en CO 2 (il y a 54 ans, inférieure de 20 % à aujourd hui) bénéficie à la croissance des plantes et améliore le rendement des récoltes 8000 ppm dans un sous-marin

21 CO 2 0,039 % Argon Vapeur d eau (100 % d humidité) Oxygène 3 Point sur les gaz à effet de serre La vapeur d eau contribue à l actuel effet de serre atmosphérique pour ~ 30 C le CO 2 pour ~ 3 C Azote

22 CO 2 0,039 % Argon Vapeur d eau (100 % d humidité) Concentration de méthane (ppb) Méthane : 0,00018 % Oxygène Année Azote

23 La Terre se réchauffe depuis la fin du dernier petit âge glaciaire (1695) Règne de Louis XIV Règne de Louis XIV

24 Augmentation de l irradiance ici «reconstruite» d après l observation des La taches Terre solaires se réchauffe (merci depuis Galilée) la fin du conjuguée dernier à la petit diminution âge glaciaire des nuages (1695) par déficit de rayons cosmiques déviés par le champ magnétique des taches solaires attestée par la chute en 150 ans du «marqueur» 10 Be dans les glaces polaires Règne de Louis XIV Règne de Louis XIV Elle pourrait se refroidir de plus d un degré d ici 2040?

25 Ecart de température ( C) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 Mesures Modèle -1, Année Température moyenne des thermomètres HadCruT3 La dernière décennie a été la plus chaude depuis un siècle Se superpose à une croissance lente une oscillation de période 60 ans Le CO 2 ne semble pas le seul contributeur à la température

26 Dans les années 70, les experts annonçaient un refroidissement Ecart de température ( C) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 Mesures Modèle HadCruT Tendance annoncée dans la presse des années 70-1, Année

27 Certains de ces mêmes experts annoncent maintenant un réchauffement Ecart de température ( C) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 Mesures Modèle HadCruT -1, Année GIEC

28 Caler les modèles sur la phase montante ou descendante d une sinusoïde ne donne évidemment pas la même tendance que la droite moyenne, prolongement des observations depuis 1659 Ecart de température ( C) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 Mesures Modèle HadCruT -1, Année GIEC

29 Une analyse de Fourier des températures terrestres montre qu elles se corrèlent aux cycles des mouvements du Soleil par rapport au centre de gravité du système solaire La plus longue a la période de 60 ans retenue dans le modèle cyclique N. Scafetta - J. Atmospheric & Solar-Terrestrial Physics (2009) L oscillation de période 60 ans montre la plus grande amplitude Noter l échelle logarithmique

30 Meilleur «thermomètre» : niveau des océans Les satellites JASON et ENVISAT ne montrent plus de hausse sensible depuis 10 ans (contrairement à la période antérieure pour JASON) Mesures altimétriques confirmées par la stagnation de la vitesse de rotation de la Terre 10 cm/6370 km ~ 1,4 ms/jour Mesures : 5-6 centimètres par siècle GIEC AR4 : centimètres Al Gore : 5 mètres Hauteur relative (millimètres) JASON - Océan Pacifique El Niño El Niño Evolution du niveau des océans (mètre) 0,52 El Niño 0,50 0,48 0,52 millimètre par an ENVISAT Moyenne mondiale La Niña 0, Année Année

31 A l instar de ce que montre l analyse des carottes de Vostok, l accroissement mensuel du taux de CO 2 dans l atmosphère suit la température de l année précédente (décalage de 6 mois) Température d(co 2 )/dt x 7! Mettre le Vouvray au frais (si l on veut qu il garde ses bulles à l ouverture de la bouteille) Lansner 2009

32 T. Segalstadt 2009 Mesure à Mauna Loa NATURAL CO2 5% en 2009 ANTHROPOGENIC CO2 Quelle est la fraction de CO 2 anthropique dans l air? A gauche : réservoirs caractéristiques des équilibres isotopiques entre carbone 12 et 13. Le δ 13 C mesuré à Mauna Loa montre que la fraction de CO 2 anthropique n excède pas ~ 5 %, soit ~ 20 ppm, à comparer à une augmentation de 22 % depuis 50 ans augmentation : ~1/4 anthropique et ~ 3/4 naturel

33 Augmentation annuelle de CO 2 anthropique et naturel Émissions (combustibles fossiles) : ~ 1 % par an La végétation capte 10 fois plus de CO 2 dans le même temps Augmentation moyenne totale mesurée dans l atmosphère (observatoire de Mauna Loa) : 0,45 % par an Doublement en l an 2234? Fraction anthropique qui reste dans l atmosphère : ~ 0,1 % par an Réduction des émissions de 20 % («paquet climat européen») -> impact sur l atmosphère de 20 % x 10 % x 11 % = 0,2 %

34 Commentaires sur l ébauche du rapport AR5 du GIEC (1779 pages ) parution prévue en 2014 L extrapolation en 2100 des mesures altimétriques suggère un réchauffement limité à 0,7 C x 5,2/17 ~ 0,2 C par siècle Les modèles commandés par le GIEC prévoient pour 2100 un réchauffement de 1 à 4 C ~ 1 C serait dû au CO 2 et jusqu à 3 C supplémentaires pourraient être dus aux rétroactions de la vapeur d eau

35 Commentaires sur l ébauche du rapport AR5 du GIEC (1779 pages ) parution prévue en 2014 L extrapolation en 2100 des mesures altimétriques suggère un réchauffement limité à 0,7 C x 5,2/17 ~ 0,2 C par siècle Les modèles commandés par le GIEC prévoient pour 2100 un réchauffement de 1 à 4 C ~ 1 C serait dû au CO 2 et jusqu à 3 C supplémentaires pourraient être dus aux rétroactions de la vapeur d eau Les projections des rapports AR4 et AR5 sont entachées d une incertitude avouée considérable : un facteur 4 Comparé au poids d une personne, 35 kg ou 140 kg? Doit-on soigner la Terre pour anorexie ou pour obésité?

36 Commentaires sur l ébauche du rapport AR5 du GIEC (1779 pages ) parution prévue en 2014 L extrapolation en 2100 des mesures altimétriques suggère un réchauffement limité à 0,7 C x 5,2/17 ~ 0,2 C par siècle les mesures montrent au contraire que l humidité spécifique décroit sous les tropiques là où les modèles prévoient les rétroactions maximales de la vapeur d eau Les modèles commandés par le GIEC prévoient pour 2100 un réchauffement de 1 à 4 C ~ 1 C serait dû au CO 2 et jusqu à 3 C supplémentaires pourraient être dus aux rétroactions de la vapeur d eau

37 Commentaires sur l ébauche du rapport AR5 du GIEC (1779 pages ) parution prévue en 2014 L extrapolation en 2100 des mesures altimétriques suggère un réchauffement limité à 0,7 C x 5,2/17 ~ 0,2 C par siècle Les modèles commandés par le GIEC prévoient pour 2100 un réchauffement de 1 à 4 C ~ 1 C serait dû au CO 2 et jusqu à 3 C supplémentaires pourraient être dus aux rétroactions de la vapeur d eau Un accroissement des nuages pourrait au contraire augmenter l albédo de la Terre et réduire son échauffement à 0,3 C en 2100

38 On ne devrait pas tarder à être fixés GIEC Variabilité naturelle mesures

39 L effet de serre du CO 2 est déjà presque saturé Couche de CO 2 absorbante Terre ~ 100 mètres Les molécules de CO 2 en altitude «voient» très atténué le rayonnement infrarouge émis par la Terre, car il est occulté et très partiellement réémis, et ne peuvent donc contribuer à échauffer l atmosphère Farmer 1974

40 Le développement durable est un enjeu majeur du XXIème siècle, mais doit-il cautionner tout et n importe quoi? Pourquoi dépenser des milliers de milliards d euros, l équivalent de la dette souveraine mondiale, pour contrer un effet marginal? Se précipiter sur les énergies renouvelables intermittentes est-il la meilleure solution? 1000 gigawatts électriques à stocker Développer la recherche pour accroître le potentiel des productions durables et continues : solaire à concentration nucléaire de 4 ième génération? fusion thermonucléaire (ITER) autres Efficacité énergétique lignes supraconductrices? améliorer l isolation thermique meilleurs rendements de conversion (S2E2) -> Un financement «durable» de la recherche